作者：干勇,材料延寿与可持续发展课题组
出版社：化学工业出版社
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材料延寿与可持续发展战略研究试读：
前言
几十年来，我国的金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料的研究和生产有了巨大的发展，成为世界材料生产、销售和消费大国。多年来我国的钢铁、有色金属、水泥、布匹等137项材料产量位居世界第一，支撑“中国制造”的产品遍布全球，“中国建造”的工程项目遍布全国乃至世界上许多国家，支撑了我国经济建设连续30多年GDP的高速发展，支撑我国发展成为世界上第二大经济体。
但发展也带来了新问题，一个是高速发展带来的能源、资源的巨大消耗和环境的严重污染，另一个是材料及其制品在服役环境作用下出现腐蚀、老化、磨损和断裂，引发中国制造的产品或工程项目过早失效甚至引发事故。2010年之前的调查表明，腐蚀（含老化）造成的损失达到我国GDP的5％，磨损造成的损失达到GDP的4.5％，疲劳断裂也有类似的损失，严重的损失影响国家的可持续发展。为了维持国家可持续发展，预防和控制材料及其制品的过早失效已经刻不容缓。
为此，中国工程院2011年批准了“材料延寿与可持续发展战略研究”重大咨询项目（编号2011-ZD-20）。在干勇、周廉、师昌绪三位院士的领导下，项目组把26个行业的工程材料，归纳成六个课题：制造工程、能源和电力工程、现代交通工程、化工和石油化工工程、基础设施工程和农业机械工程等，相应地组建了六个课题组，分别依托钢铁研究总院、华电电力科学研究院、北京航空材料研究院、中国石油天然气管道科学研究院、交通运输部公路科学研究院、中国农业机械化科学研究院，项目总体组依托钢铁研究总院。
项目组邀请了材料、材料制品设计、制造、使用、维护维修、管理专家、学者90余人（其中院士16人，教授或研究员61人），于2012年4月启动，就材料延寿技术在经济建设中的成就、贡献、现状、差距、问题、措施和建议开展调查研究。各课题组按照“材料及其制品使用可靠性与耐久性的国内外现状和发展趋势、差距、紧迫感、发展思路、相关技术、结论和建议”内容的要求，提出了提高材料及制品使用可靠性、安全性、耐久性和经济性，提高使用寿命、减少资源消耗，减少环境污染措施的咨询建议，为国家建设“资源节约型”、“环境友好型”及和谐社会可持续发展战略服务。
项目研究工作至2013年12月底基本结束，撰写了研究报告。项目研究报告包括一份项目咨询总报告，即《材料延寿与可持续发展战略研究综合报告》（对应本书第一篇），以及六份课题专项咨询报告，即《制造工程材料延寿与可持续发展战略研究报告》、《能源与电力工程材料延寿与可持续发展战略研究报告》、《现代交通工程材料延寿与可持续发展战略研究报告》、《化工与石化工程材料延寿与可持续发展战略研究报告》、《基础设施材料和结构延寿与可持续发展战略研究报告》和《农业机械工程材料延寿与可持续发展战略研究报告》（分别对应本书第二篇～第七篇）。
同时，作为项目研究成果重要组成部分，“材料延寿与可持续发展”丛书（第一批19分册，近700万字）2013年全面完稿，2014年出齐。这套丛书邀请了70余位专家、教授组成总编委会和顾问委员会，深入、系统地阐述了材料延寿与可持续发展的基础理论、材料选择、应用领域等。
2014年8月的中国工程院化工、冶金与材料学部验收会议肯定了项目的研究成果，建议材料延寿的研究继续进行，不断地推进我国可持续发展战略。
为了总结和推广应用重大咨询项目的研究成果，项目组决定将研究报告进行系统整理，出版这本《材料延寿与可持续发展战略研究》。希望“材料延寿”的概念在材料研发、材料应用的各个经济和工业领域深入人心，对材料及其制品在服役环境作用下出现腐蚀、老化、磨损和断裂而引发过早失效进行预防与控制，尽可能地提高材料及其制品的使用可靠性、安全性、经济性和耐久性，尽可能地延长其使用寿命，节约资源能源，减少环境污染，支持国家可持续发展。材料延寿与可持续发展战略研究项目组2015年6月第一篇材料延寿与可持续发展战略研究综合报告专家名单
组 长：干 勇 院 士 中国工程院，中国钢研科技集团有限公司
副 组 长：李金桂 研究员 中航工业北京航空材料研究院张启富 教 授 中国钢研科技集团有限公司
成 员：安桂华 研究员 中国机械工业联合会陈建敏 研究员 中国科学院兰州化学物理研究所杜 楠 教 授 南昌航空大学顾宝珊 教 授 中国钢研科技集团有限公司高万振 研究员 武汉材料保护研究所高玉魁 教 授 同济大学韩恩厚 研究员 中国科学院金属研究所韩雅芳 研究员 中国材料研究学会李晓刚 教 授 北京科技大学李树君 研究员 中国农业机械化科学研究院潘 邻 研究员 武汉材料保护研究所陶春虎 研究员 中航工业北京航空材料研究院王光雍 教 授 北京科技大学王一建 教 授 杭州五源科技集团有限公司魏世丞 教 授 装甲兵工程学院徐昌学 教 授 中国石油天然气管道科学研究院应光伟 教 授 华电电力科学研究院袁训华 高 工 中国钢研科技集团有限公司曾凡昌 研究员 中国锻压协会张劲泉 研究员 交通运输部公路科学研究院张 斌 研究员 中国铁道科学研究院
依托单位：中航工业北京航空材料研究院
参加单位：中国钢研科技集团有限公司华电电力科学研究院中国石油天然气管道科学研究院交通运输部公路科学研究院中国农业机械化科学研究院中国机械工业联合会中国科学院兰州化学物理研究所南昌航空大学武汉材料保护研究所同济大学中国科学院金属研究所中国材料研究学会北京科技大学杭州五源科技集团有限公司装甲兵工程学院中国锻压协会中国铁道科学研究院第1章绪论
材料是指可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。人类发展离不开材料，国家建设离不开材料，人们的衣食住行离不开材料。
在“可持续发展战略”中，材料是关键。材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类社会进步的标志和里程碑，是社会不断进步的先导，是可持续发展的支柱。
材料被制成产品、投入使用才有价值，在其使用过程中，材料不可避免要遭遇服役环境的作用，使其出现腐蚀、磨损或断裂。所以，具有环境抗力的材料制品才拥有真正的使用价值，其价值在于材料制品具有好用和耐用的特征，好用就是使用安全与可靠，如果好用、耐用又经济，就会受到人们的欢迎。“材料延寿与可持续发展战略研究”的“材料延寿”就是追求材料及其制品使用的可靠性、安全性、经济性和耐久性，其核心就是“寿命”，在使用安全与可靠的前提下，“寿命”越长越好（这里不包括技术进步导致的更新与淘汰）。
材料及其制品提前失效，会引发事故、造成危害，使国家和人民的生命财产遭受损失，导致能源资源浪费、环境污染，威胁国家的可持续发展。
材料及其制品在服役环境作用下的失效是一种自然现象，不可完全避免，但可以预防与控制其在环境作用下的提前损伤、提前破坏、提前失效。1.1 材料的作用与贡献
1.1.1 材料的作用、贡献与推动力
为了满足人类社会不断增长的需求，适应生产力的发展和科学技术的进步，材料科学得到了快速的发展。例如，瓦特发明蒸汽机，推动了对“锅炉钢”的研究和开发，锅炉钢的研制成功，显著减少了锅炉爆炸事故的出现，进而，推动了火车、轮船和纺织业的规模化生产，有力地促进了第一次工业革命的进程。
二三百年来，尤其是近一百多年来，成千上万种钢铁、有色金属、有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料的出现，极大地推动了各个行业新产品、新工程项目的出现，有力地推动了汽车、轮船、火车、飞机、飞船、机电等产品，以及供水、供电、供热、供油、供气等工程项目的飞速发展。
我国已经成为“材料大国”，支撑“中国制造”的产品有数百项居世界第一位，仅机电产品就销往224个国家。“中国制造”的产品遍布全球，“中国建造”的工程项目遍布全国，乃至世界上许多国家。从而支撑了中国发展成为世界上第二大经济体、第二大综合实力强盛的国家。
可见，“材料”在满足了我国13亿人口需求的同时、支撑着“中国制造”和“中国建造”的快速发展，确保了国家的经济建设、国防建设和GDP的连续增长，并且维持了国家的持续发展，材料的作用、贡献和推动力可参见图1-1-1。图1-1-1 材料的作用、贡献和推动力
1930年，世界人口20亿；1987年达到50亿；2014年已超过70亿。随着人口的急剧增长，人类的衣食住行在数量和质量上的要求都明显提高。
以高分子材料为例，可以理解材料的作用。
高分子材料为人类解决衣食住行开辟了新的途径，为人类可持续发展做出了重大贡献。高分子材料同金属材料相比具有密度小、比强度低、比模量低、耐蚀性能好、成型工艺简单、成本低等特点，在不到100年的发展史中，在显著地满足人类日益增长的要求的同时，为人类节约了生存和可持续发展的空间。
衣：到20世纪80年代，合成纤维已占人类全部衣着纤维的一半以上；目前已经占到2/3左右。不仅如此，电视机、电冰箱、洗衣机、VCD等家用电器的外壳，以及座椅、浴缸、窗帘、脸盆、梳子等日用品都与合成高分子材料有关。高分子材料为人类节约了数以亿万亩种植棉花的土地。（100亩地建造一个10万吨合成纤维厂，可代替200多万亩种植棉花的土地。）
食：塑料薄膜可提早播种季节，增产粮食。近年来开发研制的高分子保温剂、高分子生长剂及除害剂等可使粮食产量大幅度提高。此外，科学家们正在努力研究人工合成蛋白，以达到人工合成粮食的目标。
住：合成高分子材料在建筑与装饰领域的广泛使用，改善了人类的居住条件，使人类的居住条件跨入新的时代。
行：以汽车车轮为例，一个年产10万吨合成橡胶工厂相当于300万亩橡胶林。仅中国2010年生产汽车1800万辆，需要多少汽车轮胎，如果都是靠橡胶树，能想象吗？
然而，塑料的白色污染、废旧轮胎的堆积如山，应该采用相应的措施，需要出台相应的政策与建议。
1.1.2 材料是人类发展的里程碑
在人类历史的发展过程中，材料成为人类进步的里程碑，人们曾采用“材料使用”来划分社会发展时代（表1-1-1）。表1-1-1 材料是人类文明发展的里程碑（1）木石器并用时代。人类使用木矛、石块、石片、石球与自然界作斗争延续了300万～400万年，2万年前出现弓箭打猎为生的种群。（2）陶器时代。1万年前，埃及和巴比伦一带使用草料纤维加上黏土制成烘砖；5000年前中国用圆木立柱加草泥抹墙；4000年前印度制成砖，中国制造的青砖则提高了耐水度、致密度和强度。（3）青铜器时代。5000多年前，人类从自然界存在的金、铜发现了金属与矿石的关系，学会冶炼。冶铜技术极大地推动了生产力的发展，改进了工具，加快了农业的发展和生活的改善。（4）铁器时代。埃及、中国都在公元前8世纪中叶进入铁器时代，尤其在2500年前发明生铁以后，影响了世界农业和人口的分布、经济和政治的发展。（5）高分子材料时代。在20世纪30年代，高分子合成材料大量问世。按工业生产时间排序为：1931年为氯丁橡胶和聚氯乙烯，1933年为高压法聚乙烯，1935年为丁腈橡胶和聚苯乙烯，1937年为丁苯橡胶，1939年为尼龙66。第二次世界大战后石油化工技术继续快速发展，1950年开发了腈纶，1953年开发了涤纶，1957年开发了聚丙烯。合成材料包括橡胶、纤维、塑料、高分子胶黏剂、高分子涂料和高分子基复合材料，极大地推动了现代工业的发展，提高了人类的生活水平。（6）信息材料时代。20世纪下半叶，以硅为代表的一系列半导体等电子、微电子材料以及功能材料的出现和使用，划时代地改造了现代工业和提高了人类的生活质量。
1.1.3 材料是国家建设的物质基础
过去200多年里，发达国家先（英国）后（美国、法国、德国）完成了工业化，消耗了地球上大量的自然资源，特别是能源资源。当前，一些发展中国家正在步入工业化阶段，资源能源消费增加是经济社会发展的客观必然。中国是当今世界上最大的发展中国家，发展经济、摆脱贫困是中国政府和中国人民在相当长一段时期内的主要任务。
中国的发展符合当前世界发展的潮流。未来40年，是包括中国、印度、巴西在内的20亿～30亿人将为进入基本现代化行列而奋斗的时期，需要大量的材料满足国家建设的需求。这符合世界大多数人追求现代化生活需求的愿望表达，也为城市化和人类文明进程注入了新的动力和活力。这么强大的建设要求没有充足的材料是难以达到目的的。为了满足国家建设的需求，我国已经成为“材料大国”，以钢铁为例，1950年我国钢铁生产量为15.8万吨；1978年增长至3178万吨；2008年超过5亿吨，占全球总产量的3/5；2009年中国粗钢产量达5.68万亿吨，是排名随后四名的日本、俄罗斯、美国和印度粗钢产量之和的2.2倍；钢铁、有色金属、水泥、布匹等137项材料的产量居世界第一。
为了近14亿人口建设国家的需求，完成“两个百年”的奋斗目标，我国需要更多的材料，这里还以钢铁为例，冶金工业规划研究院预测2015年我国8大行业钢铁的需求量为7.29亿吨（表1-1-2），相应需要的水泥、有色金属、煤炭、石油、电力都应该有相应的材料供应，没有这些材料作为建设的物质基础，是不可能达到我们预期目标的。而如果我们还想与世界各个国家做生意，担当“世界加工厂”，那么，充分做好准备，提早打好这个基础，就要“兵马未动，粮草先行”。2008年全国纺织品服装进出口2037.5亿美元，增长7.3％，占全国货物贸易总额的8.0％，出口服装200多亿件。如果我国的布料、设计、加工水平再提高一个档次，发展为世界名牌，就可以摘掉“价格低廉”的帽子。表1-1-2 冶金工业规划研究院对2015年钢材需求量的预测
1.1.4 材料制品遭遇服役环境作用，损失重大
材料制成制品之后，在使用过程中，不可避免要遭遇服役环境的作用，包括自然环境、运行环境以及制造环境的作用。材料可能出现腐蚀、老化、磨损和断裂（图1-1-2、图1-1-3）。图1-1-2 材料及其制品遭遇三大环境作用图1-1-3 在三大环境作用下出现三大失效模型
制造环境指的是在制造过程中因设计不当、制造不合理，使用的制造工艺损伤了材料固有的优良性能，埋下了提前失效的隐患。例如，江淮汽车公司因为车身结构上存在内表面涂装不充分引起腐蚀，召回2008年11月至2011年12月生产的同悦汽车117072辆；2013年美国波音787客机由于电池问题在全球大面积停飞。（1）中国工程院开展过“腐蚀调查”。1999年4月6日，中国工程院化工、冶金与材料学部常委扩大会议根据1998年8月柯伟、曹楚南院士等提出的建议和申请，决定正式启动“中国工业与自然环境腐蚀问题调查与对策”咨询项目。2003年10月柯伟院士在化学工业出版社出版了《中国腐蚀调查报告》，调查结果指出：①中国的腐蚀损失占GDP的5％（加上间接损失，2001年约为5000亿元人民币，2006年约为10596亿元人民币）；②如果能够很好地宣传普及现有的科学技术知识，可以挽回约1/3的腐蚀损失。（2）中国工程院开展过“摩擦学调查”。中国工程院于2006年立项进行了“摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究”，参加咨询项目的有16位院士和全国许多院外专家。按现状调查和发展战略研究两个方面，分成11个分组，对选定的8个工业行业［大机械课题组（各行各业）、冶金课题组、能源及化工课题组、车辆课题组、空天课题组、船舶课题组、军事装备课题组和农业装备课题组］开展工作，谢友柏院士编写出版了《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》，调查结果指出：①2006年我国工业领域因摩擦磨损造成的损失约9700亿元人民币，欧美发达国家因摩擦磨损造成的损失约占其国民生产总值的2％～7％，目前我国的经济发展模式还比较粗犷，资源浪费严重，该领域的损失远高于欧美发达国家；②有的调查指出，摩擦消耗掉全世界1/3的一次性能源，约有80％的机器零部件都是因为磨损而失效；③如果能够很好地宣传普及现有的科学技术知识，可以挽回1/3的摩擦引发的损失。（3）尚未见到断裂、环境断裂、疲劳和腐蚀疲劳的专门调查报告，泄漏是工业领域的重大损伤表现，也尚未见到专题调查研究报告，但是，已经有报告称：80％的动部件是因为疲劳而失效。
1.1.5 材料失效严重威胁材料制品的使用安全、可靠与寿命
材料制品投入使用之后出现的材料提前损伤、提前破坏、提前失效，实际表现为材料腐蚀、磨损和断裂，使材料制品失去使用可靠性、安全性和耐久性，失去使用寿命，提前退役，甚至引发事故。（1）世界上最昂贵、最悲惨的十大事故给我们的启示。2008年“新浪科技”公布了“世界上有史以来发生的十大损失最惨重的事故”，举其中几例如下所述。
①美国“挑战者”号航天飞机“73秒”寿命。1986年1月28日美国“挑战号”航天飞机升空爆炸。助推火箭筒节与节之间对接用的O形密封圈，不能适应严冬过冷的待飞环境，发生冷缩，失去弹塑性，丧失密封作用，设计部门没有接受密封圈生产公司提出的不适宜发射建议，发射点火，火苗蹿入助推火箭筒，发射后73s航天飞机于空中爆炸，损失55亿美元，造成7名宇航员丧生（图1-1-4）。图1-1-4 “挑战者”号航天飞机起飞爆炸
②美国“哥伦比亚”号航天飞机15天飞行寿命。为了保证橡胶圈能经受严寒环境，科研人员改进了设计，增加了保温套。但是“哥伦比亚”号航天飞机起飞时海绵保温套脱落，击破高温防护用的防热瓦，在2003年2月1日返航经过大气层时高温防护层失效处的机翼在高温下瞬间熔化引发爆炸，造成机毁人亡（图1-1-5），损失120亿美元，7名宇航员丧生。图1-1-5 “哥伦比亚”号航天飞机空中爆炸
据新华社2011年7月22日报道：美国东部时间21日清晨，“阿特兰蒂斯”号航天飞机在肯尼迪航天中心安全着陆（7月8日起飞）。这次着陆为美国为期30年投资2000亿美元的航天飞机项目正式画上了句号。美国宣告航天飞机时代结束。俄罗斯成为唯一拥有能往返于地面和国际空间站的载人宇宙飞船的国家。
③切尔诺贝利核电站4号机组11个月使用寿命（图1-1-6）。1986年4月26日切尔诺贝利核电站核泄漏：20万人被迫撤离，之后因癌症死亡的人数估计约12万5千人。事故的清理、受害者迁居和补偿的费用大约是2000亿美元，乌克兰广大的地区受污染，170万人受到直接影响，经查明，是“控制棒设计不当”引发了世界上最悲惨的事故。图1-1-6 切尔诺贝利核电站爆炸
④石油钻井平台0使用寿命。2010年4月20日美国路易斯安那州沿岸的一座石油钻井平台爆炸起火，历时3个月（图1-1-7），是美国有史以来最严重的油污灾难，原油污染达150万平方公里，“墨西哥海湾在长达10年的时间里将成为一片废海”，旅游萧条、钻井停止、渔业荒废、航空歇业、到处污染，造成的经济损失将以数千亿美元计。事故起因是为防止油气在巨大压力下上涌，要向油井套管中灌入水泥，但设计水泥用量过少，强度不足以平衡地平压力，引发井喷造成的。图1-1-7 墨西哥海湾钻井平台爆炸起火
⑤1988年7月6日晚10点，阿尔法石油钻井台液化气安全阀需要更换100个，但只更换了99个，忘记更换1个磨损了的安全阀，引发泄漏，发生着火爆炸，熊熊大火燃烧2小时，167名员工遇难、成套设备毁坏，损失34亿美元（图1-1-8）。图1-1-8 阿尔法石油钻井平台烧毁
⑥2008年2月23日美国在关岛的B-2“幽灵”隐身战略轰炸机刚起飞就坠毁，原因是该飞机外部24个传感器中有3个受潮，导致数据混乱引发失控坠毁，事后调查表明，是飞行员不知道应该定期打开加热器，排除感应器的湿气造成的。
从这些有史以来世界上发生的最为严重、最为昂贵、最为悲惨的事故中，可见，材料在运行环境作用下发生了提前失效，是“环境作用”引发了“提前腐蚀”“提前老化”“摩擦磨损磨蚀”“提前高温防护失效”和“提前绝缘下降”，从而导致材料提前失效，引发了重大事故。（2）我国材料失效引发的事故比发达国家严重。我国是一个发展中国家，新中国成立60多年来，我国的经济建设获得了空前的发展，尤其是近30年来，得到了爆发式的进展，一举成为世界上第二大经济体，成为世界“加工厂”。“中国制造”的产品遍布全球，“中国建造”的工程项目遍布全国。但是，产品和项目的水平、质量不如发达国家，例如我国油气管道事故率为3次/1000公里年，美国为0.5次/1000公里年，欧洲为0.25次/1000公里年，俄罗斯为0.26次/1000公里年。事故模式为爆炸、断裂、变形、表面损伤，以及第三方的破坏、腐蚀、管材质量、施工质量、突发性自然灾害。储罐的火灾与爆炸是我国目前最常见、后果最严重的事故。2007～2012年我国有37座桥梁倒塌。在航空系统也曾经出现过飞行事故，例如，1972年飞机受力框架（GC11结构钢制造）出现多次电镀锌不除氢或虚假除氢，诱发氢致开裂，援外飞机成批停在机场不能发出，成批量飞机返厂换件。
1.1.6 材料及其制品的生产是污染地球的主要根源
钢铁工业是资源能源消耗密集型产业，每生产1t钢，需要消耗0.6～0.8t标准煤、1.5～1.55t铁矿石、3～8t新水。即使最先进的工厂，每生产1t钢也要排放1.7t左右的二氧化碳及大量的废气、废渣、粉尘、污泥和其他污染物，技术落后的钢铁厂产生的废弃物更多（表1-1-3）。表1-1-3 粗钢或钢材产量、能源消耗与CO排放量2
2005年，我国钢铁工业全行业能耗占全国总能耗的14.71％，耗水量占工业总量的14％，工业废水排放量占工业排放总量的8.53％，二氧化硫排放量占全国的6.6％，工业粉尘排放量占工业排放总量的15.18％。
从表1-1-3可见，随着钢铁产量的快速提升，能源、矿石消耗和CO排放量显著增加，2013年钢铁生产中，CO排放量就等于2005年22的1.49倍，几乎增加了50％；等于2005年的2.88倍。2005年我国煤炭生产量为21.9亿吨，由化石燃料燃烧引起的CO排放总量为51亿吨，2占全球CO排放总量的18.9％，仅次于美国，列世界第二，近几年我2国温室气体排放量增长趋势明显，2013年我国煤炭生产量为37亿吨，消耗36.1亿吨，煤炭燃料燃烧引起的CO排放总量为84.07亿2吨。
目前我国单位GDP的废水排放量比发达国家高4倍，单位工业产值产出的固体废弃物比发达国家高10多倍，单位GDP二氧化硫和氮氧化物排放强度分别是经济合作发展组织（OECD，由发达国家组成）国家的9倍和8倍。这就使我国的土地、淡水、能源、资源环境受到了严重的损坏，已经形成了对经济发展的严重制约。
爆发式的生产、爆发式的污染排放，使我国的天空、土地、水源的污染已经不堪重负。逐步提出新的政策，已是刻不容缓的形势。
我国30多年的进步是以“高投入、高消耗、高污染、低产出、低效益”得来的，付出了沉重的资源、生态、环境代价。今后，我们在相当长的一段时间内还处于现代化、城镇化和农业机械化的建设阶段，我们只有通过科学进步加以改进。①提高材料及其制品的“四性”，延长使用寿命，减少材料的消耗，减少环境污染；②在“中国制造”过程中，在金属材料的冶炼、锻造、铸造、焊接、热处理等零件预成型阶段以及非金属成型加工过程，采用先进制造技术，减少污染与排放，应该成为我国的国策。应加大技术改造的投入，而不是采用搬迁的政策，将污染源挪动到其他地方。
1.1.7 人类材料资源面临耗竭
世界各国对主要矿产证实储量的拥有百分比见表1-1-4，从现有的矿产探明储量上，有15种矿产3/4的储量集中在3个国家，有26种矿产3/4的储量集中在5个国家。有12种矿产1/2以上的储量集中在发达国家，有13种矿产1/2以上的储量分布在发展中国家，占世界前三位的矿业大国是美国、俄罗斯和中国，它们也是世界的矿产资源大国。美国是世界上占第一位的矿业大国。表1-1-4 世界各国对主要矿产证实储量的拥有百分比
从图1-1-9可以看出，经过近300年的开采，可供人类开采的资源、能源已经极其有限了，珍惜已经发现的矿藏、发掘新的矿藏成为各国政府的重要任务。图1-1-9 人类已经拥有的资源、能源面临耗竭
1.1.8 中国材料资源困难更严峻
中国的矿藏资源总量丰富，其中24种矿藏居世界第三位；钨、锡、稀土等12种矿石居世界第一位；煤、钒、钼、锂等7种居第二位；汞、硫、磷等5种居第三位。但是按照人口平均，中国人均探明矿藏资源储量占世界平均的58％，位居世界第53位，铝土矿、铜矿、铁矿、镍矿、金矿分别相当于世界水平的14.2％、28.4％、70.4％、7.9％、20.7％，中国各类矿产人均拥有量均不到世界平均水平，矿产资源短缺现状十分严重（图1-1-10），按人口平均计算，中国是一个矿产资源贫穷的国家，这不仅是经济发展问题，也是国家安全问题。图1-1-10 中国人拥有的资源、能源远低于世界人口的平均值
我国非金属矿产十分丰富，品种很多，分布广泛。已探明储量的非金属矿产有88种，占世界第一储量的有石墨、硅灰石、自然硫与硫铁矿、菱镁矿、膨润土、重晶石、芒硝、石膏，还有硅藻土、磷矿、萤石、云母、高岭土、耐火黏土、硼矿、钾盐、大理石、花岗岩、滑石、宝玉石、石棉、水泥灰岩、玻璃硅质原料等也都十分丰富。
非金属矿产的充分而有效的利用，可以为我国的经济建设和节能减排做出重大贡献。1.2 材料及其制件应该具有尽可能长的使用寿命
1.2.1 需要环境适应性好的材料
任何产品和工程建设项目都需要“材料”才能“制造”，“材料”的作用一是能满足设计的功能要求，二是能经受服役环境的侵害作用，两者缺一不可取。例如，葡萄酒瓶盖，采用什么材料制作，既能提供微量的空气让其继续陈酿、更加醇香，又不会因为空气过多使其氧化、出现酸味，在长时间的环境的作用下还不会“老化”或“生锈”，这在当时是一个很大的难题。经过大量的研究人们发现：栓皮栎树的树皮制作的一种软木塞就包含大约8亿个细胞，里面83％都充满了空气，它质轻、有弹性、可被压缩。当软木塞塞入瓶口中，空气不会通过瓶口进入瓶中，而且，随着时间的推移，软木塞里的少量空气释放出来还能促进葡萄酒更好地酿造，300多年过去了没有发现更好的取代品，每年120亿瓶葡萄酒都用它封口，为葡萄牙赢得1％GDP的收入，这就是“材料”既能服务于功能要求，又能适应服役环境作用，不遭损伤、不会失效的一个简明实例。
又例如，制造一个螺丝刀，对材料的要求只是基本性能“五大指标”（σ、σ、δ、ψ、α），即拥有足够的强度、硬度、韧性，在使b0.2k用环境下耐腐蚀，就可以制造出好用的螺丝刀；如果需要制造钢结构大桥，那么，除了“五大指标”外，还需要持久强度、疲劳性能（拉拉疲劳、拉压疲劳、振动疲劳、腐蚀疲劳等），设计的静强度要低于应力腐蚀门槛值、设计的动强度要低于疲劳极限，根据这些材料的腐蚀特性，只要设计合适的防护涂层体系。航空发动机的设计要求就更为苛刻了，1980年以后，发动机设计在断裂力学基础上，提出了损伤容限设计、概率设计，对材料性能要求越来越多、越来越高，除基本性能外，还要求有统计性能、使用性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率等。设计部门根据现代发动机的特性提出：涡轮叶片材料必须具有6种温度下的短时力学性能（σ、σ、σ、δ、ψ、σ-ε、σ、0.10.2bbHτ、τ）、4种温度下的持久曲线（L-M、σ-t）和蠕变曲线（ε-N、σ-0.3bε）以及断裂韧性（Kda/dn）等97项指标，以及冶金结构、物理性IC能、化学性能数据等都合格，才能为设计所接受，成为符合涡轮叶片服役环境要求的材料，设计出满足功能，符合“四性”的零件。
从第一次工业革命蒸汽机生产得以规模化的锅炉钢开始，短短300多年，满足服役环境要求的材料逐步形成了今天的规模，工具钢、齿轮钢、轴承钢、不锈钢、耐候钢、耐酸钢、轨道钢、埋地管道钢、桥梁钢等大量的适应环境需求的材料不断涌现，满足了各个行业发展的需求，为了适应更高的要求，还曾研究适应更苛刻环境需求的新的材料、新的工艺、新的技术。
有了环境适应性材料，还需要设计、制造、使用、维护维修的全过程全员全方位共同努力，制约所有引发材料制品提前失效的因素，才能达到使用安全、可靠、耐久和尽可能延长使用寿命的目的，这些因素可参见表1-1-5。表1-1-5 引发材料制品失效加速的因素
1.2.2 需要从设计开始的系统控制
腐蚀从表面开始、摩擦磨损在表面进行，疲劳寿命因表面完整性的损伤而明显降低。要提高材料使用的可靠性，从而提高材料制成品使用的可靠性、安全性、经济性和耐久性，关键就在于预防与控制环境作用下材料所出现的腐蚀、摩擦磨损磨蚀、环境断裂（主要是疲劳和腐蚀疲劳）。为此，需要设计、制造、使用、维护、维修全方位进行全员参与的全过程协同工作，共同努力，达到精心设计、精心制造、精心维护、精心管理，才可望获得满意的结果，这是一个系统工程。（1）设计师精心设计。一个产品，设计是灵魂，简化说来设计师有两大任务：一是满足人们生活需求、提高人民生活质量，设计出人们需要的物件、设备、装备和公共设施；二是使这些物件、设备、装备和公共设施具有足够的环境抗力，使其在所运行的服役环境条件下，能安全、可靠、耐久，具有尽可能长的使用寿命。
研制和生产公司需要根据使用方对产品或重大建设工程项目的技术指标与使用要求、使用环境与使用寿命以及可能投入的研制经费与成品价格，分析可能遭遇的环境侵害下可能出现的腐蚀、摩擦磨损磨蚀、环境断裂的具体细节，做出总体设想。按照这个总体设想，制定：①腐蚀控制设计指南；②摩擦副匹配设计指导；③耐久性设计指南；④不同金属接触设计；⑤环境密封设计；⑥通风排水结构设计；⑦材料选用指南；⑧涂镀层技术规范与选用指南。在这些技术文件的指导下，进行精心设计。
设计时，根据整机的需求、考虑部件的装配、再根据具体零件可能遭遇的使用环境（温度、湿度、转速、应力、界面摩擦等）和停机环境［湿度、空气（或水）污染、温度等］，进行结构设计、耐久性设计（尤其对承受动载荷零件）、摩擦副匹配设计（对于相对运动出现摩擦的零件）腐蚀控制设计，进行材料及其加工工艺的选择，在整体设计的同时进行施加表面保护层设计，通过模拟试验，确定设计方案，投入部件装配试验，再投入整机试验，以证明达到了精心设计的目的。（2）制造工程师精心制造。一个产品，制造是关键，制造工程师有两大任务：一是按照设计的要求，严格复制出设计所期望的实物；二是在制造过程中，不损伤材料固有的优良性能。为此他们需要制定和拥有：①制造过程控制指南；②制造工艺、标准与试验方法；③无损检测标准与检测技术；④质保系统控制规范；⑤材料损伤处理手册。
制造过程中所使用的各项加工工艺都必须通过试验证明不损伤材料固有的优良性能的工艺或是类似产品应用过的优良工艺才可以。通过现代表面工程技术的应用，施加表面保护层，有利于提高材料抗腐蚀、耐磨损、抗疲劳的性能，而不是损伤这些性能。（3）使用维护与管理工程师的精心维护。一个产品，使用是目的，维护保养是保障。材料制造成制品，经过运输、储存、进入现场，投入使用，要遭遇现场自然环境（阳光、雨、露、温度、湿度、污染等）的作用，运行时还要遭遇运行环境（载荷、温度、压力、速度等）的作用，这是一个极其复杂的作用环境，使用维护和管理工程师需要精心管理和精心维护，才可望获得真正的使用可靠性、安全性和耐久性。例如武汉长江大桥，1955年开工，1957年投入使用。由于苏联专家不了解武汉地区自然环境条件及其作用的恶劣程度，没有能够提出大桥的设计寿命。但是，大桥管理局1957年开始坚决执行苏专家每年涂刷一次保护涂料的规定，保持了10年，1967年由于铁道科学研究院研制成功抗老化性能更好的涂料，改为每5年涂刷一次，90年代改为每10年涂刷一次，使用维护工程师始终保持了钢结构大桥表面的涂料完好，武汉长江大桥现在使用了近六十年，情况良好。我国钢结构大桥的设计寿命也从没有确定发展到120年的设计寿命，是几十年科学发展与实践应用相结合的结果。
又例如，公共场所大型建筑物上，往往挂有大钟，这些大钟的寿命很不相同，几十年、十几年甚至几年就报废了的比比皆是。也有超过百年还在使用的，青岛江苏路教堂大钟已经102年运行良好，其秘诀就是每周上两次机油，既增加了润滑性，防止了磨损，又覆盖了钢齿轮的表面、防止了生锈。2008年2月23日美国在关岛的B-2隐身轰炸机刚起飞就坠毁，原因就是没有对24个传感器（其中仅有3个受潮）进行例行的除湿操作（仅按动开关即可）。
我国军标GJB-4239《装备环境工程通用要求》，列举了许多环境引发的事故，累计表明，环境引起电子电器产品的故障数占装备总故障数的52％左右，而各种环境引起的故障占环境引起的故障率为：温度40％，振动27％，湿度19％，沙尘6％，盐雾4％，高度2％，冲击2％。可见，在环境引起的故障中主要是温度、振动和湿度。
在使用过程中如果能严格遵照设计与制造部门提供的该工程项目的《维护保养手册》和《暂时性保护手册》，精心执行：①日常维护保养管理规定；②材料损伤维护说明书；③材料损伤修理指南，就有可能使其随时处于优良的使用状态或待命状态，提高其使用可靠性、安全性、经济性和耐久性。（4）组织落实与人员培训。重大建设工程项目材料使用可靠性的提升，是制造业的一项系统工程，它涉及腐蚀、摩擦磨损磨蚀、环境断裂（主要是指疲劳与腐蚀疲劳、蠕变）的预防与控制相关的设计师、制造工程师、制造工人以及他们的领导，有理论可指导、有工艺可执行、有文件作依据、有标准可遵循、有岗位可立足、有规章可监督，这就需要成立一个“材料损伤预防和控制咨询委员会”，根据用户的技术、环境和寿命的要求，制定和统一“××工程材料失效设计指南”“××工程制造文件编制指南”和“材料损伤预防和控制培训大纲”，以及相应的各种制造工艺文件、试验与检验方法、标准、质保体系的种种规定，在它的领导下成立的以制造工厂副厂长为领导的“工厂材料损伤控制执行小组”，和以用户为领导的“订货方材料损伤监督小组”。
在组织保证的前提之下，对所有从事该工程项目建设的所有人员按照“材料损伤预防和控制培训大纲”进行培训，实行严格的持证上岗制定，让各个环节的工作人员能在制造过程中把住可能埋下“腐蚀”“摩擦磨损”“疲劳”的潜在危害排除在外。1.3 系统工程及其管理在国内外已经取得成效
1.3.1 在工程建设项目中实施系统控制工程及其管理是大势所趋
为了提高材料及其制品使用的可靠性、安全性和耐久性，先进国家都采取了相应的措施。
美国20世纪50年代中期在各种弹道导弹系统研发过程中形成了系统工程管理的理念，确立了系统的全寿命期，在项目立项到系统被废弃（退役）的整个时间周期内包括方案探索、论证与确认、全面研发、制造、使用和保障。通过推行系统管理的理念成功实施了阿波罗登月计划和F-16、F-18、F-117飞机和B-2隐形战略轰炸机的研制。美国系统工程管理科学家Booz.Allen&.Hamilton Inc在《系统工程指南》（System Engineering Management Guide）一书中指出：只有在型号研制中采用系统工程的原理和方法，才能使工程技术人员和管理人员在给定的任务要求和资源约束条件下，合理地确定系统的技术要求，选择出最优的技术状态，全面地管理工程的研发，正确地验证系统的技术性能；并使设计出来的系统顺利地投入生产；使生产出来的系统得到经济而又有效的保障。现在，美国已经将其应用于各种军事和民用大型工程系统，超过250多种专业。
我国系统工程管理的思想出现在20世纪60～70年代。为了发展“两弹一星”，我国采用了“全国一盘棋”战略和“共产主义大协作”的精神，强调通过集体智慧“把零金碎玉变成大器”，所以在国力和科研实力比较薄弱的情况下，发展了我国的原子弹、氢弹和人造卫星，显著地提高了我国在国际上的地位。钱学森开创了我国系统科学与系统工程学的研究，任务是：确立工程开发目标，分析工程开发的环境，设计出工程组态与社会环境和自然环境相融合的总体方案，控制最少的物质、人工和时间的均衡投入。大至国家重大工程项目的建设，中至行业的发展（火车、汽车、飞机、轮船等）都有系统工程运行与管理的问题。
20世纪90年代，腐蚀控制系统工程的理念及其理论、原则、技术和措施开始进入飞机的设计、制造和使用过程，工程师们共同编写的《军用飞机腐蚀控制设计细则》以指令性和指导性文件规定用于我国歼-××歼击机的设计、制造和使用，开创了我国歼击机使用20年飞行5000h不出现重大腐蚀故障的先河。后来，这一理念又在埋地钢质管道和钢结构大桥上得到了推广应用，钢结构大桥从没有设计寿命逐步达到了70年、100年甚至120年的设计寿命水平。
如果通过全面推广材料失效的系统预防与控制系统工程及其管理，减少腐蚀、磨损和断裂造成损失的1/3是可能的，按照2013年我国GDP为568845亿元人民币计算，可以减少的损失是相当可观的。
1.3.2 在我国工业领域实施系统工程及其管理的建议
在我国工业领域实施材料失效预防与控制系统工程及其管理，以求我国的工业产品具有“可靠、安全、耐用”的高质量特征，以及具有“经济”特征，逐步使我国发展成为“材料强国”和“制造强国”，实现中华民族复兴梦想。
首先，在我国系统庞大、技术密集、高投入、高风险的领域，例如航空母舰工程、电子电器工程、高铁工程、核电工程、管道工程、基础设施工程等，对材料及其制品在服役环境作用下产生的腐蚀、磨损和断裂引发的提前失效实施预防与控制的系统工程管理；然后，再逐步扩大，让所有的工业建设行为都在系统工程的标准控制之下进行。
其实质是从设计抓起，实施“设计是灵魂、材料是基础、工艺是关键、检测是保证、维护是保障”的责任制，各就其位，各司其职。重拾并发扬我国曾经提倡的“做老实人、说老实话、办老实事”和“严肃、严密、严格、严谨”的“三老四严”的精神。并在每一个环节突出细则，进行精心设计、精心制造和精心维护，使“中国制造”不仅要做大，更要做强。“系统控制”就是从设计入手，在设计、制造、运输、储存、使用、维护、维修全过程中，实施全方位、全员参与的对材料及其制品失效预防与控制的系统工程，达到提高其使用可靠性、安全性、经济性和耐久性，尽可能延长其使用寿命的目的。“系统管理”就是从设计开始，通过设计、制造、使用全过程进行全面的技术检查、监控、评估，实施预知性维护，确保全寿命周期可靠使用，直到产品退役的管理程序。
具体做法是：材料科学与技术工作者与设计师、制造、使用、维护维修和管理工程师结合起来，运用系统工程学、腐蚀科学、腐蚀控制系统工程学、摩擦学、断裂力学、疲劳科学、表面完整性理论与技术、表面工程学等相关的科学与技术，提高材料及其制品的使用可靠性、安全性、耐久性和经济性。研究材料及其制品失效预防与控制的章程、规范与工艺技术，使设计、制造、使用、维护工程师有理论可指导、有原则可遵循、有技术可使用、有措施可实施。也就是将预防与控制材料及其制品失效的理论变为可操作的工艺技术、可执行的具体规范、可遵循的实际章程，逐步形成完整、系统的指令性或指导性标准。
为此，我们建议组建一个国家级的专门（中介）机构，负责在我国工业领域实施材料失效预防与控制系统工程及其管理工作。第2章中国材料发展的辉煌成就2.1 中国已经成为世界材料生产、销售和消费大国
据统计，2012年全球粗钢总产量为15.478亿吨。我国达到7.16亿吨，约占世界粗钢总量的46.3％，已连续12年居世界第一位。
十种有色金属从2003年起连续十年生产量居世界第一位。
稀土金属研究、生产和出口居世界第一位。我国以拥有世界36％的稀土金属储量，2008年开采并廉价供应世界各国90％的稀土金属消费。
2012年世界煤炭产量79.56亿吨，我国产煤36.6亿吨，约占世界总量的46％，已连续20多年居全球第一位。
2012年世界石油产量为3123.83亿桶（约合42.75亿吨），我国产量为2.05亿吨。
2011年我国电力装机容量达10.6亿千瓦，居世界第二位，年发电量达4.8万亿千瓦时，居世界第一位。
2012年，世界水泥产销量约39亿吨。我国达到21.8亿吨，约占世界总量的56％，已经连续23年居世界第一位。
我国是全球第一大产钨国。
我国是全球花岗石地砖的第一大出口国。
部分中低档材料，如钢铁、水泥、铅锌、造纸等十九种材料产能过剩。2.2 材料品种规格基本满足建设需求
中国材料种类众多，品种牌号齐备，基本适应工业、农业、能源、交通、航空航天、基础设施和国防军工等各行业对结构和功能材料的需求；拥有了部分适应现代科技制品需求的新型材料、特殊材料，如生物医学材料、信息材料、微电子材料、光电子材料、信息显示/存储与传输材料、功能陶瓷和敏感材料、隐身材料、智能结构材料；掌握了部分优质材料、关键材料、高新技术材料研制及其制造技术，部分满足了高端装备制造业的需求。2.3 环境适应性材料得到快速发展
按照符合结构和功能要求并在服役环境中可靠使用的标准，材料可以分为环境适应性材料（经实用考核证明，适应服役环境要求的材料）；环境不适应性材料（使用中不断暴露问题，终将被淘汰的材料）；环境友好型材料（20世纪90年代兴起开发的材料，从材料诞生到退役全过程对环境没有或很少有负面作用）；自然材料（如棉花、木材、石材、竹材等）。只有适应服役环境要求的材料，经性能检测、成形加工、应用和维护考核后才能称为环境适应性材料并入编《材料选用手册》。
中国材料基本上是环境适应性材料。如钢已形成系列，即工具钢、刃具钢、量具钢、模具钢、不锈钢、结构钢、耐热钢、轴承钢、车轴钢、弹簧钢、齿轮钢、轨道钢、桥梁钢、螺纹钢、钢筋钢、高强度钢、超高强度钢、船用钢、锚链钢、锅炉钢、耐海水腐蚀钢、耐酸钢、耐碱钢、耐磨钢、高温合金钢等。其中不锈钢系列，就有耐大气、耐水、耐海水、耐酸和耐其他腐蚀介质的不锈钢，仅耐大气条件下，不同温度、不同具体使用环境要求的航空不锈钢就有几十种，如果包括耐其他介质侵蚀的不锈钢，品种已超过百种。2.4 材料检测技术得到相应提高
材料检测技术是保证材料产品质量的关键，是设计与可靠性工程的重要技术基础，是安全和维修工程的理论基础和指导依据。据调查，我国可承担材料及其制品检测项目的厂、所、院、校、重点实验室、研究中心、工程中心有26000多个，研究与测试队伍庞大，购置了相应的检测设备、仪器仪表（高精尖测试设备几乎全部进口），硬件条件已经达到美国、英国、法国等国家的水平。检测技术规模宏大、设备精良、人员配套，已经进入大有可为的时期。
航空材料代表了一个国家材料发展的最高水平，而检测技术是保证航空材料产品质量稳定性的关键。以发动机用高温合金为例，1960年前发动机采用静强度设计，对材料只要提供“五大指标”和持久性能就能满足要求。1960年以后，采用安全寿命设计，要以高周疲劳S-N曲线来评估。1970年以后，采用有限寿命设计，用应变疲劳ε-N曲线来评估寿命。1980年以后，发动机设计在断裂力学基础上，提出了损伤容限设计和概率设计，对材料除要求基本性能外，还要求拥有统计性能、使用性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩张速率等。设计要求：涡轮叶片材料必须具有6个温度下的短时力学性能、4种温度下的持久曲线和蠕变曲线疲劳性能以及断裂韧性等97项力学性能数据，低压压气机零件材料需要79项力学性能数据，转子叶片材料需要85项，燃烧室材料需要78项，涡轮盘材料需要76项性能数据。此外，制造零件过程中还需要进行近百项指标的测试。只有所有检测指标都达到要求，才算真正完成从材料到制成制品的任务。只要有一项指标不合格，就要报废。零件越复杂，成品合格率越低。定向凝固无余量精密铸造涡轮叶片成品合格率一般仅为20％～40％。
为满足航空材料和零件的检测要求，仅北京航空材料研究院检测中心就拥有测试和研究人员550多人，各种测试设备、仪器仪表1500多台套，固定资产价值3亿元人民币。该单位能够自主保证空心无余量定向凝固精密铸造涡轮叶片和单晶涡轮叶片的生产，叶片材料的研究、制造技术以及检测技术已进入了世界先进水平。2.5 自然环境模拟试验网站已初具规模
材料自然环境适应性基础数据积累，是材料（制品）在自然环境中腐蚀数据的长期积累和基础性试验研究的结果。材料自然环境腐蚀试验工作于20世纪50年代开始，至2012年，全国共建立44个大气、海水、土壤腐蚀试验站，初步建成了“全国材料环境腐蚀体系腐蚀试验站网”。其中，大气环境腐蚀试验站点15个，包括我国温带、亚热带、热带三大气候带，加上高原低压及沙漠干热环境地区，具有世界上少有的气候多样性。水环境腐蚀试验站点6个，包括青岛、舟山、厦门、榆林四个海水腐蚀试验站，格尔木盐湖试验点，武汉港和黄河三门峡淡水试验点，水环境腐蚀试验研究由海水扩充到了盐湖水、淡水环境。我国土壤种类共有41种，已在17种土壤类型中建设了23个土壤试验站。
截至目前，全国投入腐蚀试验材料六大类，即黑色金属、有色金属、混凝土、高分子材料、保护层、电缆光缆共353种牌号，九万多个试件，通过4个周期的试验，现已积累材料大气腐蚀数据、海水腐
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